Arbeitsgruppe Silizium & Germanium - Überblick

Die Züchtung von Halbleiterkristallen hoher Reinheit, Strukturperfektion und ausreichender Größe war und ist die wesentliche Grundlage für die Entwicklung der Bauelemente der modernen Festkörperelektronik von den diskreten Germaniumtransistoren der 50er Jahre bis zu den heutigen ICs, auf denen jeweils bis zu vielen Milliarden von Transistorfunktionen auf einem Silizium-Chip integriert sind. Diese 'klassischen' Halbleiter stellen auch die Basis der Steuerung und Erzeugung von Elektroenergie in Leistungselektronik und Photovoltaik dar. Beim Silizium sind neben den universellen Materialparametern besonders die praktisch unbegrenzte globale Verfügbarkeit bei niedrigen Kosten hervorzuheben. Die Materialforschung an diesen Klassikern bringt immer wieder Ansätze für neue Entwicklungsfelder, wie z.B. die Quantenelektronik mit isotopenreinem Silizium und thermoelektrische Energiewandler mit Si-Ge-Mischkristallen, die am IKZ mit sehr unterschiedlichen Anteilen gezüchtet werden können und auch effektive Röntgen- und γ- Monochromatoren ergeben.

Der aussichtsreichste Ansatz für eine auf einem natürlichen Standard basierende und gleichzeitig genauere Neudefinition des Kilogramm-Maßstabs wurde unter Leitung der PTB Braunschweig entwickelt und beruht auf isotopenreinen 28Si Silizium Kristallen, die am IKZ gezüchtet wurden und deren Reinheit und Struktur weiter vervollkommnet wird.

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Auch die Grundlagenforschung profitiert von neuen Materialen. Die fast verschwindende inhomogene Verbreiterung der Spektrallinien an solchen Kristallen erlaubt es, die Struktur wichtiger Si-Störstellen aufzuklären und bewirkt weiterhin ungewöhnlich langlebige Spin-Kohärenz, die für die 'Spintronik' interessant ist. Ultrareine Germaniumkristalle werden für hochempfindliche Strahlungsdetektoren benötigt, wie sie im Projekt GERDA zur Aufklärung des neutrinolosen Doppel-β-Zerfalls vorgesehen sind.

In der Gruppe Si &G wird für Kristalle aus Silizium -einschließlich isotopenreinen- überwiegend das tiegelfreie Floating Zone (FZ) Verfahren angewendet, das höchste Reinheiten ermöglicht, aber auch gezielte Dotierungen mit Akzeptoren (z.B. B) und Donatoren (z. B. P) erlaubt. Auch die Dotierung mit 'exotischen' Elementen wie z.B. Bi, Ga, Al, Sb, Au, etc. wurden schon mit teils modifizierten Verfahren wie Pedestal durchgeführt. Die vier vorhandenen FZ- Züchtungsanlagen erlauben bisher Kristalle bis 150mm Durchmesser. Daneben stehen auch mehrere kleinere Czochralski (Cz) Anlagen für die Züchtung kleinerer Kristalle aus dem Tiegel für Si (d<52mm), SixGe1-x (d<20…40mm) und ultrareinem oder auch dotiertem Ge (d<76mm) zur Verfügung, die für den jeweiligen Zweck ausgelegt sind bzw. angepasst werden können. Spezielle Verfahren für die Kristallzüchtung aus kleinen Ausgangsmaterialmengen (z.B. von isotopenreinem Si und Ge) oder für dünne (d=4…10mm) Si-Stäbe wurden einsatzbereit entwickelt.

Da Informationen über die Wachstumsphasengrenze des Kristalls für die Verfahrensentwicklung sowie für die numerische Prozesssimulation unerlässlich sind, wurde in der Gruppe ein spezielles photoelektrisches Kristalldiagnoseverfahren - Lateral Photovoltage Scanning (LPS) -  bis zur Reife entwickelt. An solchen Messungen als Dienstleistung besteht vielfältiges Interesse auch außerhalb des IKZ.

Schlüsselpublikationen

N.V. Abrosimov, S.N. Rossolenko, W. Thieme, A. Gerhardt, W. Schröder,
Czochralski Growth of Si- and Ge-Rich Single Crystals.
J CHRIST GROWTH 174 (1997) 182 - 186 
doi:10.1016/S0022-0248(96)01102-5

P. Becker, H.-J. Pohl, H. Riemann, N.V. Abrosimov
Enrichment of Silicon for a Better Kilogram.
PHYS STATUS SOLIDI A 207 (2010) 49 - 66
doi:10.1002/pssa.200925148

A.M. Tyryshkin, S. Tojo, J.J.L. Morton, H. Riemann, N.V. Abrosimov, P. Becker, H.-J. Pohl, T. Schenkel, M.L.W. Thewalt, K.M. Itoh, S.A. Lyon
Electron Spin Coherence Exceeding Seconds in High-Purity Silicon Electron Spin Coherence Exceeding Seconds in High-Purity Silicon.
Nature Materials 11 (2012) 143 - 147
doi:10.1038/nmat3182

H.-J. Rost, R.Menzel, A.Luedge, H.Riemann
Float-Zone Silicon Crystal Growth at Reduced RF-Frequencies
J CHRIST GROWTH 360 (2012) 182 -186
doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.03.001

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